Введение в специальность. Физика и техника оптической связи

21

вым (1958–1961 гг.). Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Последующие два года были насыщены техническими усовершенствованиями и изобретениями, направленными главным образом на увеличение мощности, компактности, долговечности лазеров.

В 1970 г. (год разработки первых ОВ со светоослаблением менее 20 Дб/км) академик Ж.И. Алферов с сотрудниками впервые реализовали полупроводниковый лазер на основе двойной гетероструктуры AlAs–GaAs с непрерывной генерацией при комнатной температуре. За это научное открытие Жорес Алферов был удостоен Нобелевской премии.

Рис. 1.2 — Структура лазера на рубине

Принцип действия лазера. Как уже было сказано, первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом — со-

трудником фирмы «Radio corporation of America». В нем он ис-

пользовал кристалл рубина.

Слово «лазер» образовано начальными буквами английских слов light amplification by stimulated emission of radiation («усиле-

ние света с помощью вынужденного излучения»). В литературе встречается также название ОКГ — оптический квантовый генератор. Для того чтобы объяснить принцип действия лазера, необходимо дать определение понятиям спонтанного и вынужденного излучения.

В традиционных источниках света, таких как лампа накаливания, атомы получают энергию от электронов, создающих электрический ток. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома примерно через (10–8 –10–7c) без какого-либо внешнего воздействия (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются электронами и излучают фото-

22

ны независимо друг от друга, поэтому излучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом. Рассмотрим теперь возможные процессы взаимодействия атома с фотоном. Пусть энергия фотона hν = E2 − E1,

где Е1, Е2 — энергии основного и возбужденного состояний атома.

1.Поглощение света. Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е2, может поглотить фотон, перейдя

ввозбужденное состояние с энергией Е2 > Ех (рис. 1.3, а). Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации п1 атомов, находящихся в основном состоянии.

2.Спонтанное излучение. В отсутствие внешних полей или

столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10–8–10–7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние

(рис. 1.3, б).

Рис. 1.3 — Процессы взаимодействия атома с фотоном:

а— поглощение фотона; б — спонтанное излучение;

в— вынужденное излучение

Спонтанное излучение — излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

23

3. Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предска-

зал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света (рис. 1.3, в).

Индуцированное (вынужденное) излучение — излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации п2 атомов, находящихся в возбужденном состоянии. При этом у световой волны, возникшей при индуциро-

ванном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, па-

дающей на атом. Это означает, что к первичному фотону I, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон II индуцированного излучения (рис. 1.3, в). Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения — возникает оптическое усиление.

Лазер — источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения. Усиление излучения, падающего на среду, возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения. Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном

п2>п1.

В состоянии термодинамического равновесия, когда система занимает состояние с наименьшей энергией Ev, т.е. n1> п2, усиления не происходит.

Инверсная населенность энергетических уровней — неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильное состояние — возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (например, 10–3 с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10–8 с).

24

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия А12Оз, в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома Сг3+.

Источником индуцированного излучения в рубине являются именно атомы хрома. Они могут находиться на одном из трех разрешенных энергетических уровней. На самом нижнем располагаются невозбужденные атомы. Переселение атомов на верхние уровни осуществляется путем облучения рубина мощным потоком света от импульсной лампы накачки (похожей на ту, которая применяется в фотовспышке, но гораздо мощнее). Поток света вторгается в глубь рубина. Но полезными в нем являются лишь зеленые лучи. Они возбуждают атомы хрома и забрасывают их сразу на третий уровень. Правда, там атомы хрома задерживаются недолго: через одну стомиллионную долю секунды они «спрыгивают» на второй уровень (рис. 1.4).

Рис. 1.4 — Оптические процессы в рубиновом лазере

Второй уровень — самый замечательный. На нем атомы могут находиться длительное время, не переходя в основное состояние. По обычным представлениям это время невелико — всего несколько тысячных долей секунды, но в «атомных» масштабах оно огромно и сродни человеческому долгожительству. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1. Случайный фотон с энергией hv = E2 – Е1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов (рис. 1.5, а).

Конечно, атомы хрома будут «скатываться» спонтанно, самопроизвольно и с третьего, и со второго уровней на первый, но

25

для этого им требуется значительно больше времени, чем перейти с третьего уровня на второй. Ясно, что число атомов, переходящих на второй уровень, будет во много раз больше числа атомов, возвращающихся «домой» на первый уровень. Цель световой накачки состоит как раз в том, чтобы перенаселить второй уровень. Это тот трамплин, прыжки с которого приводят к индуцированному излучению.

в

Рис. 1.5 — Оптическое усиление:

а— оптическая «накачка»; б — оптическое усиление;

в— генерация лазерного излучения

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается (рис. 1.5, б).

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — частично прозрачным (рис. 1.5, в). Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

Типы лазеров. В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров.

26

По режиму работы лазеры делят на генераторы непрерывного излучения (одномодовые, многомодовые и одночастотные) и лазеры импульсного излучения.

В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время используют множество веществ. По активным веществам лазеры разделяются на четыре группы: твердотельные лазеры (на активированных стеклах, на ионных кристаллах, на флюоритах, активированных редкоземельными элементами), газовые лазеры (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические и т.д.), жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, на растворе органических соединений), полупроводниковые лазеры (инжекционные, гетероструктурные, с распределенной обратной связью и т.д.).

Твердотельные лазеры используют в качестве активных сред кристаллические или аморфные вещества, содержащие небольшие примеси ионов редкоземельных элементов, металлов. Накачка активного вещества, необходимая для работы лазера, производится при помощи света, излучаемого импульсными или непрерывными лампами. Достоинством твердотельных лазеров является большая энергия излучения, к недостаткам следует отнести малую когерентность, большую расходимость излучения, значительные габариты и массу.

Жидкостные лазеры используют индуцированное излучение растворов органических и металлоорганических соединений, а также индуцированное комбинационное рассеяние света в жидкостях. Накачка осуществляется светом импульсных ламп. Энергетические параметры жидкостных лазеров близки к соответствующим параметрам твердотельных. Когда жидкостные лазеры работают в импульсном режиме, их выходная мощность может достигать сотен и более мегаватт. При непрерывном режиме типичные уровни выходной мощности составляют доли ватта. Спектр излучения лежит в видимом диапазоне излучения. Достоинствами жидкостных лазеров являются возможность перестройки частоты генерации и малая расходимость излучения; недостатками — малый КПД, малая монохроматичность излучения, нестабильности параметров излучения, большие габариты и масса.

Газовые лазеры имеют газообразные активные среды. Это может быть газ, состоящий из атомов, ионов, молекул или их

27

различных смесей. Газовые лазеры позволяют получать излучение от ультрафиолетовых до субмиллиметровых длин волн. Накачка обычно производится при помощи постоянного или переменного тока, проходящего через газ. Мощность излучения в непрерывном режиме генерации лежит в диапазоне от нескольких милливатт до сотен и более ватт. Некоторые из газовых лазеров работают также в импульсном режиме. Преимуществами газовых лазеров перед другими являются малая расходимость луча (примерно 10–3 рад), высокая монохроматичность, высокая степень пространственной и временной когерентности. Недостатком газовых лазеров является то, что их размеры довольно велики (обычно около 1 м). Минимальная длина составляет десятки сантиметров.

Полупроводниковые лазеры используют в качестве активных веществ полупроводники: арсенид галлия, фосфид галлия, сульфид цинка, арсенид индия и целый ряд других. Длины волн излучения этих лазеров перекрывают область от 0,33 до 8,5 мкм. Накачка осуществляется или пропусканием электрического тока через р-п-переход (инжекционные лазеры), или бомбардировкой р-п- перехода электронами (лазеры с электронным возбуждением). Инжекционные лазеры обычно работают в импульсном режиме. Это связано с большой чувствительностью полупроводников к тепловому нагреву. Достоинствами полупроводниковых лазеров являются: высокий КПД, малые габариты, составляющие доли миллиметра, возможность быстрой модуляции излучения путем изменения тока возбуждения. К недостаткам относятся: малая монохроматичность, большая расходимость излучения (единицы градусов), малая температурная стабильность, плохая когерентность, необходимость охлаждения.

Основные особенности лазерного излучения следующие:

•лазерное излучение обладает исключительной монохроматичностью и когерентностью;

•пучок света лазера имеет очень малый угол расходимости (около 10–5 рад);

•лазер имеет колоссальную плотность энергии и является наиболее мощным искусственным источником света.

28

Благодаря этим свойствам лазеры нашли применение в различных областях науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в оптических локаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих-кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. В обработке материалов при помощи лазера осуществляют сварку, резку, сверление очень маленьких отверстий с высокой точностью. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции.

Лазеры применяются также для топографической съемки, потому что луч лазера задает идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трехмерные объемные изображения. В метрологии лазер применяется при измерении длины, скорости, давления.

Создание лазеров — результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии. Создание лазера стало определяющим фактором и в развитии оптических систем передачи.

1.4 История развития оптической связи

С древнейших времен в качестве носителя информации человек использует в основном акустические волны — звук и электромагнитные волны — свет. Люди на расстоянии прямой видимости обменивались сообщениями с помощью условных знаков; вне зоны прямой видимости для охвата значительного пространства сообщения передавали с помощью звуков рога или боевой трубы. Для увеличения дальности и определенного уменьшения угла направленности передачи сообщений люди использовали свет: огни костров на вершинах гор, в дальнейшем — факелы и «костры тревог или побед» на высоких башнях. Моряки приме-

29

няли сигнальные лампы для передачи информации. Сохранились сведения о том, что в XII в. до нашей эры весть о падении Трои была передана в Грецию именно оптическим путем [10].

В начале 90-х годов XVIII века русский изобретатель И.П. Кулибин и француз К. Чапп (Клод Шапп) независимо друг от друга разработали оптический телеграф, предназначенный главным образом для передачи военных и правительственных сообщений. Оптический телеграф К. Чапп использовал в ходе войны Французской республики против Австрии, более 20 станций связали Париж с Лиллем (230 км). Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В России для военно-правитель- ственных целей оптический телеграф связал Петербург со Шлиссельбургом (1824 г.), Кронштадтом, Царским Селом и Гатчиной. Самая длинная в мире (1200 км) линия оптического телеграфа была открыта в 1839 г. между Петербургом и Варшавой. В устройствах обоих изобретателей одинаковой была только конструкция семафора [10].

Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом волокне.

Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл, американский инженер, изобретатель телефона, запатентовал фотофон, в котором направленный свет использовался для передачи голоса. В этом устройстве с помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Моду-

30

лированный голосом солнечный свет, падающий на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство (рис. 1.6) позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.

Рис. 1.6 — Фотофон Александра Белла

Изобретения И.П. Кулибина, К. Чаппа и А.Г. Белла основаны на прямолинейности распространения света, например, между ретрансляторами-станциями, проходящего через атмосферу. Все эти устройства относятся к открытым линиям оптической связи.

Возможность применения интенсивного слаборасходящегося лазерного луча для передачи информации пробудила интерес к оптическим методам передачи сигналов и стимулировала работы в этом направлении. В результате сразу же появились оптические системы передачи с открытым распространением сигналов, главное преимущество которых — огромная информационная ем-

кость, обусловленная чрезвычайно высокой частотой оптической несущей (порядка 1014 Гц).

Надо сказать, что созданию надежных лазерных линий связи препятствует погода. Оказалось, что дождь, пыль, снег, туман, облачность и другие атмосферные явления резко ограничивают видимость, снижают качество передачи и могут вообще сорвать оптическую связь. Поскольку связь с помощью лазеров задумывалась сначала как беспроволочная оптическая связь, в которой луч лазера пускается в открытом пространстве, то многие стали сомневаться, что оптические линии связи найдут широкое применение в условиях земной атмосферы.